JP4082060B2

JP4082060B2 - Power converter

Info

Publication number: JP4082060B2
Application number: JP2002099531A
Authority: JP
Inventors: 貴之太田; 慎三朝長
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2022-04-02
Also published as: JP2003299388A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電力変換装置を構成するパワートランジスタを保護するための保護機能およびこの電力変換装置から交流電源を供給され可変速駆動される誘導電動機を保護するための保護機能を備えた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来の電力変換装置の構成を示す図である。
図において、１０は電力変換装置、１１は運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する演算手段としてのマイクロコントローラ（以下、マイコンと記す）、１２はマイコン１１から出力される制御信号によりＰＷＭのスイッチング信号を作成し、後述のスイッチング回路１３に出力する駆動回路、１３はパワートランジスタを有し、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号に基づきパワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を所定の周波数および所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路、１４はスイッチング回路１３から後述の誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉ_out を検出する電流検出回路である。また、１５は可変速駆動する対象の後述の誘導電動機２３および電力変換装置１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬ（以下、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと記す）を推定するオートチューニング手段である。
【０００３】
また、１６は保護手段、１７は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out によりスイッチング回路１３が過電流となったか否かを判定する過電流保護手段、１８は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out により出力電流を抑制する電流制限手段、１９は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out により誘導電動機２３が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル手段、２０は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out によりスイッチング回路１３のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマル手段である。
【０００４】
また、２１は過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０による保護機能の有効／無効を選択する保護機能選択手段である。
また、２２ｂは過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０による保護機能の内、保護機能選択手段２１で有効と選択された保護機能の基準レベルと、電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out とを比較し、出力電流Ｉ_out が保護機能の基準レベルを越えた場合に、マイコン１１に異常信号を出力する比較器である。
【０００５】
また、２３はスイッチング回路１３で変換された交流電力を供給される負荷装置としての誘導電動機である。また、Ｒ、Ｌは誘導電動機２３および電力変換装置１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の等価回路定数である。また、ｆ_c はＰＷＭの高周波スイッチングを行うキャリア周波数、Ｖpnは直流母線電圧の振幅、Ｖ_out は出力電圧、Ｉ_out は出力電流である。
【０００６】
従来の電力変換装置における保護機能において、過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０は、出力電流Ｉ_out と比較する保護機能の基準レベルＩ_b （Ｉ_b1 ，Ｉ_b2 ，Ｉ_b3 ，Ｉ_b4 ）を、電力変換装置１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c （Ｉ_c1 ，Ｉ_c2 ，Ｉ_c3，Ｉ_c4 ）にキャリア周波数ｆ_c に対応した係数ηを乗算することで保護機能の基準レベルを算出する。
過電流保護手段１７の基準レベル：Ｉ_b1 ＝Ｉ_c1 ×η
電流制限手段１８の基準レベル：Ｉ_b2 ＝Ｉ_c2 ×η
負荷サーマル手段１９の基準レベル：Ｉ_b3 ＝Ｉ_c3 ×η
トランジスタサーマル手段２０の基準レベル：Ｉ_b4 ＝Ｉ_c4 ×η
【０００７】
図５は従来の電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【０００８】
図４、図５により従来の電力変換装置の動作について説明する。
電力変換装置１０において、マイコン１１は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する。
駆動回路１２は、マイコン１３から出力された制御信号に基づき、スイッチング回路１３のパワートランジスタのゲートをオン／オフするためのＰＷＭのスイッチング信号を出力する。
スイッチング回路１３は、駆動回路１２から出力されたＰＷＭのスイッチング信号に従いパワートランジスタのゲートをオン／オフして、直流電力を所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換し、誘導電動機２３に供給し、誘導電動機２３を可変速駆動する。
【０００９】
従来の電力変換装置は、過電流保護（過電流保護手段１７）、電流制限（電流制限手段１８）、負荷サーマル（負荷サーマル手段１９）およびトランジスタサーマル（トランジスタサーマル手段２０）などの保護機能を有しており、運転中に、図１５に示すフローチャートにより保護機能処理を実行する。
【００１０】
ステップＳ２１で、キャリア周波数ｆ_c を設定する。
ステップＳ２２で、過電流保護手段１７、電流制限手段１８、負荷サーマル手段１９およびトランジスタサーマル手段２０は、電力変換装置１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c （Ｉ_c1 ，Ｉ_c2 ，Ｉ_c3 ，Ｉ_c4 ）にキャリア周波数ｆ_c に対応した係数ηを乗算して、出力電流Ｉ_out と比較する基準レベルＩ_b （Ｉ_b1 ，Ｉ_b2，Ｉ_b3 ，Ｉ_b4 ）を算出する。
【００１１】
ステップＳ２３で、電流検出回路１４は誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉ_out を検出し、比較器２２ｂに出力する。
【００１２】
比較器２２ｂは、ステップＳ２４で保護機能の内、過電流保護の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２６へ飛ぶ。
ステップＳ２４で過電流保護が有効と選択されている場合は、出力電流Ｉ_outと過電流保護手段１７の基準レベルＩ_b1 とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b1 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２６へ進む。また、ステップＳ２５で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b1 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１３】
比較器２２ｂは、ステップＳ２６で保護機能の内、電流制限の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２９へ飛ぶ。
ステップＳ２６で電流制限が有効と選択されている場合は、ステップＳ２８で出力電流Ｉ_out と電流制限手段１８の基準レベルＩ_b2 とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b2 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２９へ進む。また、ステップＳ２８で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b2 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１４】
比較器２２ｂは、ステップＳ２９で保護機能の内、負荷サーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ３１へ飛ぶ。
ステップＳ２９で負荷サーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ３０で出力電流Ｉ_out と負荷サーマル手段１９の基準レベルＩ_b3 とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b3 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ３１へ進む。また、ステップＳ３０で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b3 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１５】
比較器２２ｂは、ステップＳ３１で保護機能の内、トランジスタサーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ２３へ戻る。
ステップＳ３１でトランジスタサーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ３２で出力電流Ｉ_out とトランジスタサーマル手段２０の基準レベルＩ_b4 とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b4 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ２３へ戻る。また、ステップＳ３２で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_b4 を越えたと判定した場合には、ステップＳ２７でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ｂより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００１６】
また、図６は電力変換装置においてスイッチング回路１３から出力される出力電流の波形を示す図で、（ａ）は駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号の波形、（ｂ）は出力電流の波形である。図において、ｆ_c はキャリア周波数、Ｉ_out は出力電流、Ｉ_o は出力電流Ｉ_out の基本波成分、Ｉ_R はＰＷＭの高周波スイッチングにより生じた出力電流Ｉ_out のリップル成分である。
出力電流のリップル成分Ｉ_R は、ＰＷＭの高周波スイッチングにより変動し、ＰＷＭのスイッチング信号の波形がプラス側の時に増加し、マイナス側の時に減少する。
【００１７】
また、図７は電力変換装置において、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号と出力電流のリップル成分との関係について示す図である。図において、Ｖpnは直流母線電圧の振幅、Ｉ_R は出力電流のリップル成分、Ｉ_Rmaxはリップル成分の最大値、ｆ_c はキャリア周波数である。
負荷装置の等価回路定数をＲ、Ｌとすると、リップル成分Ｉ_R の最大値Ｉ_Rmax は、式（１）で表すことができる。
Ｉ_Rmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆ_c ））・・・・・（１）
式（１）に示すように、リップル成分の最大値Ｉ_Rmax は、キャリア周波数ｆ_c と直流母線電圧の振幅Ｖpnとが同じであっても、誘導電動機２３の抵抗Ｒ、リアクタンスＬの値によって変化する。
【００１８】
また、スイッチング回路１３の損失をＰ、パワートランジスタのゲートをオン／オフするスイッチングによって生じる損失をＰsw、パワートランジスタに電流が流れることによって生じる損失をＰconとすると、Ｐ、Ｐsw、Ｐconは、式（２）〜式（４）で表すことができる。
Ｐ＝ｆ_c ×Ｐsw＋Ｐcon・・・・・・・・・（２）
Ｐsw ∝ Ｖpn・（Ｉ_o ＋Ｉ_R ）・・・・・（３）
Ｐcon ∝（Ｉ_o ＋Ｉ_R ）・・・・・・・・・（４）
スイッチング回路１３の損失Ｐは、キャリア周波数ｆ_c と直流母線電圧の振幅Ｖpnと出力電流Ｉ_out （＝Ｉ_o ＋Ｉ_R ）の値によって変化する。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に電力変換装置は、可変速駆動する対象の誘導電動機の定格電流、加速・減速時間などの運転パターンなどを基準として選定されており、従来の電力変換装置の保護機能においては、上述のように出力電流と比較する保護機能の基準レベルＩ_b （Ｉ_b1 ，Ｉ_b2 ，Ｉ_b3 ，Ｉ_b4 ）を、電力変換装置の定格電流または誘導電動機の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c（Ｉ_c1 ，Ｉ_c2 ，Ｉ_c3 ，Ｉ_c4 ）に、キャリア周波数ｆ_c に対応した係数ηを乗算して求め（Ｉ_b ＝Ｉ_c ×η）、パワートランジスタおよび誘導電動機を保護するようにしていた。
【００２０】
また、出力電流Ｉ_out （＝Ｉ_o ＋Ｉ_R ）は、誘導電動機の特性を決める基本波成分Ｉ_o とリップル成分Ｉ_R とで表され（Ｉ_out ＝Ｉ_o ＋Ｉ_R ）、リップル成分Ｉ_R の最大値Ｉ_Rmax は、上述の式（１）に示されるように、負荷装置の等価回路定数をＲ、Ｌにより変化する。
電力変換装置と可変速駆動する対象の誘導電動機とが離れている場合には、電力変換装置と誘導電動機とを接続するケーブルの抵抗、リアクタンスの影響により、キャリア周波数ｆ_c と直流母線電圧の振幅Ｖpnとが同じであっても、実際の電流リップルの最大値は、誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを基に式（１）により算出したリップル成分の最大値Ｉ_Rmax と異なることになる。
【００２１】
また、従来の電力変換装置における保護機能では、試験で回路定数を確認していない誘導電動機を可変速駆動する場合には、定格電流の値が同等であっても、誘導電動機の抵抗、リアクタンスが必ずしも同じではないため、実際のリップル成分の最大値が、回路定数を確認した誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを基に式（１）により算出したリップル成分の最大値Ｉ_Rmax と異なることになる。
【００２２】
したがって、誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉ_o が保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c 以下であっても、リップル成分Ｉ_R が大きい場合には、出力電流Ｉ_out （＝Ｉ_o ＋Ｉ_R ）が保護機能の基準レベルＩ_b を越えて保護機能が働いてしまうので、最適な保護が出来ないという問題点、また特性を十分引き出すことができないという問題点があった。また、逆にリップル成分Ｉ_R が小さい場合には、出力電流の基本波成分Ｉ_o が保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c を越えて、保護機能の基準レベルＩ_b 付近まで上昇した時点で、保護機能が働くことになり、最適な保護が出来ないという問題点があった。
【００２３】
また、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを考慮して、保護機能の基準レベルを修正すること、試験で回路定数を確認していない誘導電動機の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを考慮して、保護機能の基準レベルを修正することが困難であるという問題点もあった。
【００２４】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、保護機能の基準レベルを、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した値に設定することができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
この発明の電力変換装置は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算する演算手段と、この演算手段から出力される制御信号を入力し、ＰＷＭのスイッチング信号を作成する駆動回路と、パワートランジスタを有し、この駆動回路から出力されるＰＷＭのスイッチング信号により前記パワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を、所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路と、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と前記誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、リアクタンスを推定するオートチューニング手段と、前記スイッチング回路から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路で検出した出力電流を基に、前記スイッチング回路が過電流となったか否かを判定する過電流保護、出力電流を抑制する電流制限、前記誘導電動機が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル、前記スイッチング回路のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマルなどの保護手段と、を有する電力変換装置において、前記保護手段は、前記オートチューニング手段により推定した前記負荷装置の抵抗、リアクタンスと、直流母線電圧とキャリア周波数とを基に出力電流のリップル成分の最大値を算出するとともに、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを、前記電力変換装置の定格電流または前記誘導電動機の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値に、出力電流のリップル成分の最大値を加算して求めるようにしたものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。図において、１１〜１４、２３、ｆ_c 、Ｖpn、Ｖ_out 、Ｉ_out は、図３と同様であり、その説明を省略する。また、１は電力変換装置、２は可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬ（以下、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと記す）を推定するオートチューニング手段である。
【００２７】
また、３は保護手段、４はオートチューニング手段２の算出した負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆ_c を基に式（１）によりリップル成分の最大値Ｉ_Rmax を演算する電流リップル演算手段である。
Ｉ_Rmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆ_c ））・・・・・（１）
【００２８】
また、５は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out を基にスイッチング回路１３が過電流か否かを判定する過電流保護手段、６は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out を基に出力電流を抑制する電流制限手段、７は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out を基に誘導電動機２３が過負荷か否かを判定する負荷サーマル手段、８は電流検出回路１４で検出した出力電流Ｉ_out を基にスイッチング回路１３のパワートランジスタが過負荷か否かを判定するトランジスタサーマル手段である。
【００２９】
また、９は過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８の保護機能の有効／無効を選択する保護機能選択手段である。また、２２ａは過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８などの保護機能の内、保護機能選択手段９で有効と選択された保護機能の基準レベルと、電流検出回路１４で検出した出力電流とを比較し、出力電流が保護機能の基準レベルを越えた場合に、マイコン１１に異常信号を出力する比較器である。
【００３０】
実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能において、過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８は、電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c （Ｉ_c1 ，Ｉ_c2 ，Ｉ_c3 ，Ｉ_c4 ）にリップル成分の最大値Ｉ_Rmax を加算して、出力電流Ｉ_out と比較する保護機能の基準レベルＩ_a （Ｉ_a1 ，Ｉ_a2 ，Ｉ_a3 ，Ｉ_a4 ）を算出する。
過電流保護手段５の基準レベル：Ｉ_a1 ＝Ｉ_c1 ＋Ｋ₁ ・Ｉ_Rmax
電流制限手段６の基準レベル：Ｉ_a2 ＝Ｉ_c2 ＋Ｋ₂ ・Ｉ_Rmax
負荷サーマル手段７の基準レベル：Ｉ_a3 ＝Ｉ_c3 ＋Ｋ₃ ・Ｉ_Rmax
トランジスタサーマル手段８の基準レベル：Ｉ_a4 ＝Ｉ_c4 ＋Ｋ₄ ・Ｉ_Rmax
ここで、Ｋ（Ｋ₁ 、Ｋ₂ 、Ｋ₃ 、Ｋ₄ ）は保護機能の種類によって異なる係数で、リップル成分の影響が大きい過電流保護機能、電流制限機能ではＫ₁ ＝１、Ｋ₂ ＝１とし、リップル成分の影響が小さい負荷サーマル機能、トランジスタサーマル機能ではＫ₃ ＝０．５、Ｋ₄ ＝０．５とする。
【００３１】
図２はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置において保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを説明する図で、（ａ）は配線長が短い場合、（ｂ）は配線長が長い場合のものである。図において、Ｉ_out は出力電流、Ｉ_o は出力電流Ｉ_out の基本波成分、Ｉ_R は出力電流Ｉ_out のリップル成分であり、Ｉ_out ＝Ｉ_o ＋Ｉ_R である。また、
Ｉ_a は実施の形態１に係る電力変換装置における出力電流Ｉ_out のリップル成分の最大値Ｉ_Rmax を考慮した保護機能の基準レベル、Ｉ_b は従来の電力変換装置におけるキャリア周波数ｆ_c を考慮した保護機能の基準レベル、Ｉ_c は電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値である。
【００３２】
出力電流Ｉ_out のリップル成分の振幅が大きい場合は、出力電流Ｉ_out の基本波成分Ｉ_o が保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c を越えるあたりで、出力電流Ｉ_out が実施の形態１における保護機能の基準レベルＩ_a 又は従来の保護機能の基準レベルＩ_b を越えるようになっている（図（ａ））。しかし、出力電流Ｉ_out のリップル成分の振幅が小さい場合は、出力電流Ｉ_out の基本波成分Ｉ_o が保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c を越えるあたりで、出力電流Ｉ_outが実施の形態１における保護機能の基準レベルＩ_a を越えるようになっているが、従来の保護機能の基準レベルＩ_b を下回っており保護機能が働かない（図（ｂ））。
【００３３】
実施の形態１に係る電力変換装置においては、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルＩ_a を、電力変換装置１の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c に、負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌおよびキャリア周波数ｆ_c によって算出したリップル成分の最大値Ｉ_Rmax を、加算して求める（Ｉ_a ＝Ｉ_c ＋Ｋ・Ｉ_Rmax ）ようにしたので、
可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した値に設定することができ、
負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、定格電流を基とした保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c と誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉ_o とを比較することができる。
【００３４】
図３はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【００３５】
図１〜図３により実施の形態１に係る電力変換装置の動作について説明する。
実施の形態１に係る電力変換装置において、マイコン１１、駆動回路１２、スイッチング回路１３、誘導電動機２３は、従来例と同様の動作である。マイコン１１は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算、出力する。駆動回路１２は、マイコン１１から出力された制御信号に基づき、スイッチング回路１３のパワートランジスタのゲートをオン／オフするためのＰＷＭのスイッチング信号を出力する。スイッチング回路１３は、駆動回路１２から出力されたＰＷＭのスイッチング信号に従いパワートランジスタのゲートをオン／オフして、直流電力を所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換し、誘導電動機２３に供給し、誘導電動機２３を可変速駆動する。
【００３６】
実施の形態１に係る電力変換装置は、過電流保護（過電流保護手段５）、電流制限（電流制限手段６）、負荷サーマル（負荷サーマル手段７）およびトランジスタサーマル（トランジスタサーマル手段８）などの保護機能を有しており、運転中に、図３に示すフローチャートにより保護機能処理を実行する。
【００３７】
ステップＳ１で、キャリア周波数ｆ_c を設定する。
ステップＳ２で、オートチューニング手段２は誘導電動機２３および配線ケーブルの等価回路定数Ｒ、Ｌを推定する。
ステップＳ３で、電流リップル演算手段２はオートチューニング手段２の算出した負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆ_c を使用して、式（１）でリップル成分の最大値Ｉ_Rmax を演算する。
Ｉ_Rmax ＝（Ｖpn／Ｒ）・（１−ｅｘｐ（−Ｒ／２Ｌ・ｆ_c ））・・・・・（１）
【００３８】
ステップＳ４で、過電流保護手段５、電流制限手段６、負荷サーマル手段７およびトランジスタサーマル手段８は、保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c にリップル成分の最大値Ｉ_Rmax を加算して（Ｉ_a ＝Ｉ_c ＋Ｋ・Ｉ_Rmax）、出力電流Ｉ_out と比較する保護機能の基準レベルＩ_a （Ｉ_a1 ，Ｉ_a2 ，Ｉ_a3 ，Ｉ_a4 ）を算出する。
【００３９】
ステップＳ５で、電流検出回路１４は誘導電動機２３に供給される出力電流Ｉ_out を検出し、比較器２２ａに出力する。
【００４０】
比較器２２ａは、ステップＳ６で保護機能の内、過電流保護の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ８へ飛ぶ。
ステップＳ６で過電流保護が有効と選択されている場合は、ステップＳ７で検出した出力電流Ｉ_out と過電流保護手段５の基準レベルＩ_a1 とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a1 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ８へ進む。
また、ステップＳ７で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a1 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４１】
比較器２２ａは、ステップＳ８で保護機能の内、電流制限の有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ１１へ飛ぶ。ステップＳ８で電流制限が有効と選択されている場合は、ステップＳ１０で出力電流と電流制限手段６の基準レベルＩ_a2 とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a2 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ１１へ進む。
また、ステップＳ１０で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a2 を越えたと判定した場合には、マイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４２】
比較器２２ａは、ステップＳ１１で保護機能の内、負荷サーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ１３へ飛ぶ。
ステップＳ１１で負荷サーマルが有効と選択されている場合は、ステップＳ１２で出力電流Ｉ_out と負荷サーマル手段７の基準レベルＩ_a3 とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a3 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ１３へ進む。
また、ステップＳ１２で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a3 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４３】
比較器２２ａは、ステップＳ１３で保護機能の内、トランジスタサーマルの有効／無効を確認し、無効が選択されている場合はステップＳ５へ戻る。
ステップＳ１３でトランジスタサーマルの有効が選択されている場合は、ステップＳ１４で出力電流Ｉ_out とトランジスタサーマル手段８の基準レベルＩ_a4とを比較し、出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a4 以下の場合には、正常であると判断してステップＳ５へ戻る。
また、ステップＳ２４で出力電流Ｉ_out が基準レベルＩ_a4 を越えたと判定した場合には、ステップＳ９でマイコン１１に異常信号を出力する。マイコン１１は比較器２２ａより異常信号を入力した場合、制御信号を遮断し、スイッチング回路１３のパワートランジスタのスイッチングを停止する。
【００４４】
実施の形態１に係る電力変換装置においては、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルＩ_a （Ｉ_a1 ，Ｉ_a2 ，Ｉ_a3 ，Ｉ_a4 ）を、電力変換装置１の定格電流または誘導電動機２３の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c （Ｉ_c1 ，Ｉ_c2 ，Ｉ_c3 ，Ｉ_c4 ）に、可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の等価回路定数Ｒ、Ｌと直流母線電圧とキャリア周波数ｆ_c とから算出した出力電流のリップル成分Ｉ_Rmax を、加算して求める（Ｉ_a ＝Ｉ_c ＋Ｋ・Ｉ_Rmax）ようにしたので、定格電流を基とした保護機能の基準レベルの初期値Ｉ_c と誘導電動機の特性を決める出力電流の基本波成分Ｉ_o とを比較することができ、負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、最適の保護をすることができる。
【００４５】
また、オートチューニング手段２で、可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗Ｒ、リアクタンスＬを推定し、電流リップル演算手段４でオートチューニング手段２の推定したＲ、Ｌとキャリア周波数ｆ_c と直流母線電圧の振幅Ｖpnとを基に式（１）により出力電流のリップル成分の最大値Ｉ_Rmax を演算するようにしたので、負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した保護機能の基準レベルを自動で設定できる。
【００４６】
ところで、上記説明では、オートチューニング手段２の推定した誘導電動機２３および配線ケーブルの等価回路定数Ｒ、Ｌとキャリア周波数ｆ_c を使用して、リップル成分の最大値Ｉ_Rmax を演算し、保護機能の基準レベルを算出する例について述べたが、電流検出回路１４が検出する出力電流Ｉ_out より直接リップル成分を検出し、保護機能の基準レベルを算出するようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００４８】
この発明の電力変換装置は、運転指令、速度指令などの各種指令および加減速時間、Ｖ／ｆパターンなどの各種設定値を入力し、制御信号を演算する演算手段と、この演算手段から出力される制御信号を入力し、ＰＷＭのスイッチング信号を作成する駆動回路と、パワートランジスタを有し、この駆動回路から出力されるＰＷＭのスイッチング信号により前記パワートランジスタのゲートをオン／オフして直流電力を、所定の周波数、所定の交流電圧の交流電力に変換するスイッチング回路と、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と前記誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、リアクタンスを推定するオートチューニング手段と、このスイッチング回路から出力される出力電流を検出する電流検出回路と、この電流検出回路で検出した出力電流を基に、前記スイッチング回路が過電流となったか否かを判定する過電流保護、出力電流を抑制する電流制限、前記誘導電動機が過負荷となったか否かを判定する負荷サーマル、前記スイッチング回路のパワートランジスタが過負荷となったか否かを判定するトランジスタサーマルなどの保護手段と、を有する電力変換装置において、前記保護手段は、オートチューニング手段により推定した前記負荷装置の抵抗、リアクタンスと、直流母線電圧とキャリア周波数とを基に出力電流のリップル成分の最大値を算出するとともに、保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを、前記電力変換装置の定格電流または前記誘導電動機の定格電流に従って設定された保護機能の基準レベルの初期値に、出力電流のリップル成分の最大値を加算して求めるようにしたので、
負荷装置としての誘導電動機を交換した場合、電力変換装置と駆動される誘導電動機との設置距離が長い場合であっても、可変速駆動する対象の誘導電動機および電力変換装置と誘導電動機を接続するケーブルを含めた負荷装置に適した保護機能の基準レベルを自動で設定できる。ができ、さらに特性を十分引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置において保護機能処理時に使用する保護機能の基準レベルを説明する図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【図４】従来の電力変換装置の構成を示す図である。
【図５】従来の電力変換装置における保護機能処理を示すフローチャートである。
【図６】電力変換装置においてスイッチング回路１３から出力される出力電流の波形を示す図である。
【図７】電力変換装置において、駆動回路１２から出力されるＰＷＭのスイッチング信号と出力電流のリップル成分との関係について示す図である。
【符号の説明】
１電力変換装置、２オートチューニング手段、３保護手段、４電流リップル演算手段、５過電流保護手段、６電流制限手段、７負荷サーマル手段、８トランジスタサーマル手段、９保護機能選択手段、１０電力変換装置、１１マイクロコントローラ、１２駆動回路、１３スイッチング回路、１４電流検出回路、１５オートチューニング手段、１６保護手段、１７過電流保護手段、１８電流制限手段、１９負荷サーマル手段、２０トランジスタサーマル手段、２１保護機能選択手段、２２ａ，２２ｂ比較器、２３誘導電動機、Ｒ可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１，１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置の抵抗、Ｌ可変速駆動する対象の誘導電動機２３および電力変換装置１，１０と誘導電動機２３を接続するケーブルを含めた負荷装置のリアクタンス、ｆ_c キャリア周波数、Ｖpn 直流母線電圧の振幅、Ｖ_out 出力電圧、Ｉ_out 出力電流、Ｉ_o 出力電流Ｉ_outの基本波成分、Ｉ_R 出力電流Ｉ_out のリップル成分、Ｉ_Rmax リップル成分の最大値、Ｉ_a 保護機能の基準レベル、Ｉ_b 保護機能の基準レベル、Ｉ_c 電力変換装置１、１０の定格電流または誘導電動機２３の定格電流を基に設定された保護機能の基準レベルの初期値。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a protection function for protecting a power transistor that constitutes a power conversion device, and a power conversion device having a protection function for protecting an induction motor that is supplied with AC power from this power conversion device and is driven at a variable speed. .
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional power converter.
In the figure, 10 is a power conversion device, 11 is input various commands such as operation commands and speed commands, and various set values such as acceleration / deceleration time, V / f pattern, and so on. A controller (hereinafter referred to as a microcomputer) 12 generates a PWM switching signal based on a control signal output from the microcomputer 11 and outputs the PWM switching signal to a switching circuit 13 to be described later, and 13 includes a power transistor. The switching circuit 14 converts the DC power into AC power having a predetermined frequency and a predetermined AC voltage by turning on / off the gate of the power transistor based on the PWM switching signal output from the switching circuit 13. The output current I supplied to 23_out  Is a current detection circuit for detecting Reference numeral 15 denotes a resistance R of a load device including a later-described induction motor 23 to be driven at a variable speed and a cable connecting the power conversion device 10 and the induction motor 23, a reactance L (hereinafter, an equivalent circuit constant R of the load device, Auto-tuning means for estimating (denoted L).
[0003]
Reference numeral 16 denotes protection means, and 17 denotes output current I detected by the current detection circuit 14._out  Overcurrent protection means for determining whether or not the switching circuit 13 has become overcurrent, and 18 is an output current I detected by the current detection circuit 14._out  Current limiting means for suppressing the output current by the output current I detected by the current detection circuit 14_out  The load thermal means for determining whether or not the induction motor 23 has been overloaded by the above, 20 is the output current I detected by the current detection circuit 14_out  This is a transistor thermal means for determining whether or not the power transistor of the switching circuit 13 is overloaded.
[0004]
Reference numeral 21 denotes a protection function selection means for selecting whether the overcurrent protection means 17, the current limiting means 18, the load thermal means 19 and the transistor thermal means 20 are valid or invalid.
Reference numeral 22b denotes a reference level of the protection function selected as effective by the protection function selection means 21 among the protection functions of the overcurrent protection means 17, the current limiting means 18, the load thermal means 19 and the transistor thermal means 20, and current detection. Output current I detected by circuit 14_out  And the output current I_out  Is a comparator that outputs an abnormal signal to the microcomputer 11 when the reference level exceeds the protection function reference level.
[0005]
Reference numeral 23 denotes an induction motor as a load device to which AC power converted by the switching circuit 13 is supplied. R and L are equivalent circuit constants of the load device including the induction motor 23 and the cable connecting the power converter 10 and the induction motor 23. F_c  Is the carrier frequency for high frequency switching of PWM, Vpn is the amplitude of the DC bus voltage, V_out  Is the output voltage, I_out  Is the output current.
[0006]
In the protection function in the conventional power conversion device, the overcurrent protection means 17, the current limiting means 18, the load thermal means 19 and the transistor thermal means 20 have the output current I_out  Standard level I of protection function compared with_b  (I_b1  , I_b2  , I_b3  , I_b4  ) Is the initial value I of the reference level of the protection function set according to the rated current of the power converter 10 or the rated current of the induction motor 23._c  (I_c1  , I_c2  , I_c3, I_c4  ) Carrier frequency f_c  The reference level of the protection function is calculated by multiplying the coefficient η corresponding to.
Reference level of overcurrent protection means 17: I_b1  = I_c1  × η
Reference level of current limiting means 18: I_b2  = I_c2  × η
Reference level of load thermal means 19: I_b3  = I_c3  × η
Reference level of transistor thermal means 20: I_b4  = I_c4  × η
[0007]
FIG. 5 is a flowchart showing a protection function process in a conventional power converter.
[0008]
The operation of the conventional power conversion device will be described with reference to FIGS.
In the power converter 10, the microcomputer 11 inputs various commands such as an operation command and a speed command and various set values such as an acceleration / deceleration time and a V / f pattern, and calculates and outputs a control signal.
The drive circuit 12 outputs a PWM switching signal for turning on / off the gate of the power transistor of the switching circuit 13 based on the control signal output from the microcomputer 13.
The switching circuit 13 turns on / off the gate of the power transistor in accordance with the PWM switching signal output from the drive circuit 12 to convert the DC power into AC power having a predetermined frequency and a predetermined AC voltage, and supplies the induction motor 23 with the DC power. Then, the induction motor 23 is driven at a variable speed.
[0009]
The conventional power converter has protective functions such as overcurrent protection (overcurrent protection means 17), current limit (current limit means 18), load thermal (load thermal means 19), and transistor thermal (transistor thermal means 20). During the operation, the protection function process is executed according to the flowchart shown in FIG.
[0010]
In step S21, the carrier frequency f_c  Set.
In step S22, the overcurrent protection means 17, the current limiting means 18, the load thermal means 19 and the transistor thermal means 20 are set to the reference level of the protection function set according to the rated current of the power converter 10 or the rated current of the induction motor 23. Initial value I_c  (I_c1  , I_c2  , I_c3  , I_c4  ) Carrier frequency f_c  Is multiplied by a coefficient η corresponding to the output current I_out  Reference level I to compare with_b  (I_b1  , I_b2, I_b3  , I_b4  ) Is calculated.
[0011]
In step S23, the current detection circuit 14 outputs the output current I supplied to the induction motor 23._out  Is output to the comparator 22b.
[0012]
In step S24, the comparator 22b confirms whether the overcurrent protection is valid / invalid from among the protection functions. If invalid is selected, the comparator 22b jumps to step S26.
If overcurrent protection is selected to be valid in step S24, the output current I_outAnd the reference level I of the overcurrent protection means 17_b1  And the output current I_out  Is the reference level I_b1  In the following cases, it is determined that the operation is normal, and the process proceeds to step S26. In step S25, the output current I_out  Is the reference level I_b1  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11 in step S27. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22b, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0013]
In step S26, the comparator 22b confirms the validity / invalidity of the current limit in the protection function. If invalidity is selected, the comparator 22b jumps to step S29.
If the current limit is selected to be valid in step S26, the output current I is determined in step S28._out  And the reference level I of the current limiting means 18_b2  And the output current I_out  Is the reference level I_b2  In the following cases, it is determined that the operation is normal, and the process proceeds to step S29. In step S28, the output current I_out  Is the reference level I_b2  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11 in step S27. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22b, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0014]
The comparator 22b confirms the validity / invalidity of the load thermal in the protection function in step S29, and if invalidity is selected, jumps to step S31.
If the load thermal is selected to be valid in step S29, the output current I is determined in step S30._out  And the reference level I of the load thermal means 19_b3  And the output current I_out  Is the reference level I_b3  In the following cases, it is determined that the operation is normal, and the process proceeds to step S31. In step S30, the output current I_out  Is the reference level I_b3  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11 in step S27. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22b, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0015]
The comparator 22b confirms the validity / invalidity of the transistor thermal in the protection function in step S31, and returns to step S23 if invalidity is selected.
If the transistor thermal is selected to be valid in step S31, the output current I is determined in step S32._out  And the reference level I of the transistor thermal means 20_b4  And the output current I_out  Is the reference level I_b4  In the following cases, it is determined to be normal and the process returns to step S23. In step S32, the output current I_out  Is the reference level I_b4  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11 in step S27. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22b, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0016]
FIG. 6 is a diagram showing a waveform of an output current output from the switching circuit 13 in the power converter, where (a) is a waveform of a PWM switching signal output from the drive circuit 12, and (b) is an output current. It is a waveform. In the figure, f_c  Is the carrier frequency, I_out  Is the output current, I_o  Is the output current I_out  Fundamental wave component, I_R  Is the output current I generated by PWM high frequency switching_out  Ripple component.
Output current ripple component I_R  Fluctuates due to high frequency switching of PWM, and increases when the waveform of the PWM switching signal is on the positive side and decreases when the waveform is on the negative side.
[0017]
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the PWM switching signal output from the drive circuit 12 and the ripple component of the output current in the power converter. In the figure, Vpn is the amplitude of the DC bus voltage, I_R  Is the ripple component of the output current, I_RmaxIs the maximum ripple component, f_c  Is the carrier frequency.
When the equivalent circuit constants of the load device are R and L, the ripple component I_R  Maximum value I_Rmax  Can be represented by formula (1).
I_Rmax  = (Vpn / R). (1-exp (-R / 2L.f_c  )) ...... (1)
As shown in the equation (1), the maximum value I of the ripple component_Rmax  Is the carrier frequency f_c  Even if the amplitude Vpn of the DC bus voltage is the same, it varies depending on the resistance R and reactance L of the induction motor 23.
[0018]
Further, assuming that the loss of the switching circuit 13 is P, the loss caused by switching for turning on / off the gate of the power transistor is Psw, and the loss caused by the current flowing through the power transistor is Pcon, P, Psw and Pcon are 2) to formula (4).
P = f_c  × Psw + Pcon (2)
Psw ∝ Vpn (I_o  + I_R  (3)
Pcon ∝ （I_o  + I_R  (4)
The loss P of the switching circuit 13 is the carrier frequency f_c  And DC bus voltage amplitude Vpn and output current I_out  (= I_o  + I_R  ) Varies depending on the value.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
In general, the power converter is selected based on the rated current of the induction motor to be driven at variable speed, the operation pattern such as acceleration / deceleration time, etc., and the protection function of the conventional power converter is as described above. Reference level I of protection function compared with output current_b  (I_b1  , I_b2  , I_b3  , I_b4  ) Is the initial value I of the reference level of the protection function set based on the rated current of the power converter or the rated current of the induction motor._c(I_c1  , I_c2  , I_c3  , I_c4  ) And carrier frequency f_c  Obtained by multiplying by the coefficient η corresponding to (I_b  = I_c  × η), the power transistor and the induction motor were protected.
[0020]
Also, the output current I_out  (= I_o  + I_R  ) Is the fundamental wave component I that determines the characteristics of the induction motor._o  And ripple component I_R  (I_out  = I_o  + I_R  ), Ripple component I_R  Maximum value I_Rmax  As shown in the above equation (1), the equivalent circuit constant of the load device is changed by R and L.
When the power converter and the induction motor to be driven at a variable speed are separated, the carrier frequency f is affected by the resistance and reactance of the cable connecting the power converter and the induction motor._c  Even if the amplitude Vpn of the DC bus voltage is the same, the actual maximum current ripple value is the maximum ripple component value I calculated by equation (1) based on the resistance R and reactance L of the induction motor._Rmax  And will be different.
[0021]
In addition, in the protection function in the conventional power converter, when an induction motor whose circuit constant has not been confirmed in a test is driven at variable speed, the resistance and reactance of the induction motor are reduced even if the rated current value is equivalent. Since they are not necessarily the same, the maximum value of the actual ripple component is the maximum value I of the ripple component calculated by the equation (1) based on the resistance R and reactance L of the induction motor whose circuit constants are confirmed._Rmax  And will be different.
[0022]
Therefore, the fundamental component I of the output current that determines the characteristics of the induction motor_o  Is the initial value I of the reference level of the protective function_c  Ripple component I even if_R  Is large, the output current I_out  (= I_o  + I_R  ) Is the reference level I for protection functions_b  Since the protection function works beyond the range, there is a problem that the optimum protection cannot be performed, and a problem that the characteristics cannot be sufficiently extracted. Conversely, the ripple component I_R  Is small, the fundamental wave component I of the output current_o  Is the initial value I of the reference level of the protective function_c  Beyond the standard level I for protection functions_b  When it rose to the vicinity, the protection function worked, and there was a problem that optimum protection could not be performed.
[0023]
In addition, the resistance level and reactance L of the load device including the induction motor to be driven at a variable speed and the cable connecting the power conversion device and the induction motor are taken into account, and the reference level of the protection function is corrected. Considering the resistance R and reactance L of induction motors whose constants have not been confirmed, there is also a problem that it is difficult to correct the reference level of the protection function.
[0024]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and includes a load device including a reference level of a protection function including an induction motor to be driven at a variable speed, a power converter, and a cable connecting the induction motor. An object of the present invention is to obtain a power converter that can be set to a value suitable for the above.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
The power conversion device according to the present invention receives various commands such as an operation command and a speed command and various set values such as an acceleration / deceleration time and a V / f pattern, and calculates a control signal, and is output from the calculation device. A driving circuit for generating a PWM switching signal and a power transistor, and the DC switching power output from the driving circuit turns on and off the gate of the power transistor to generate DC power. Estimate the resistance and reactance of a load device including a switching circuit for converting to AC power of a predetermined frequency and a predetermined AC voltage, a variable speed driven target induction motor and a power conversion device, and a cable connecting the induction motor Auto-tuning means, a current detection circuit for detecting an output current output from the switching circuit, Based on the output current detected by the current detection circuit, overcurrent protection that determines whether or not the switching circuit is overcurrent, current limit that suppresses the output current, whether or not the induction motor is overloaded And a protection means such as a transistor thermal for determining whether or not the power transistor of the switching circuit is overloaded. In the power converter, the protection means is estimated by the auto-tuning means. The maximum value of the ripple component of the output current is calculated based on the resistance, reactance, DC bus voltage, and carrier frequency of the load device, and the reference level of the protection function used during the protection function processing is determined by the power conversion device. To the initial value of the reference level of the protection function set according to the rated current or the rated current of the induction motor, It is obtained so as to obtain by adding the maximum value of the ripple component of the force current.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
1 is a diagram showing a configuration of a power conversion apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, 11-14, 23, f_c  , Vpn, V_out  , I_out  Is the same as FIG. 3, and the description thereof is omitted. Also, 1 is a power converter, 2 is a resistance R of a load device including the induction motor 23 to be driven at a variable speed, and a cable connecting the power converter 1 and the induction motor 23, and reactance L (hereinafter, equivalent load device) Auto tuning means for estimating circuit constants R and L).
[0027]
Also, 3 is protection means, 4 is equivalent circuit constants R and L of the load device calculated by the auto-tuning means 2, and carrier frequency f_c  Based on the above, the maximum value I of the ripple component is obtained by equation (1)_Rmax  Current ripple calculating means for calculating.
I_Rmax  = (Vpn / R). (1-exp (-R / 2L.f_c  )) ...... (1)
[0028]
Reference numeral 5 denotes an output current I detected by the current detection circuit 14._out  Overcurrent protection means for determining whether or not the switching circuit 13 is overcurrent based on the output current I 6 detected by the current detection circuit 14_out  Current limiting means for suppressing the output current based on the output current I 7 detected by the current detection circuit 14_out  Load thermal means for determining whether or not the induction motor 23 is overloaded based on the output current 8 detected by the current detection circuit 14_out  Is a transistor thermal means for determining whether or not the power transistor of the switching circuit 13 is overloaded.
[0029]
Reference numeral 9 denotes a protection function selection means for selecting validity / invalidity of protection functions of the overcurrent protection means 5, the current limiting means 6, the load thermal means 7, and the transistor thermal means 8. Reference numeral 22a denotes a reference level of the protection function selected as effective by the protection function selection means 9 among the protection functions such as the overcurrent protection means 5, the current limiting means 6, the load thermal means 7 and the transistor thermal means 8, and the current. The comparator compares the output current detected by the detection circuit 14 and outputs an abnormal signal to the microcomputer 11 when the output current exceeds the reference level of the protection function.
[0030]
In the protection function of the power conversion device according to the first embodiment, the overcurrent protection unit 5, the current limiting unit 6, the load thermal unit 7, and the transistor thermal unit 8 are the rated current of the power conversion units 1, 10 or the induction motor 23. Initial value I of the protection function reference level set based on the rated current_c  (I_c1  , I_c2  , I_c3  , I_c4  ) And ripple component maximum value I_Rmax  Is added to the output current I_out  Standard level I of protection function compared with_a  (I_a1  , I_a2  , I_a3  , I_a4  ) Is calculated.
Reference level of overcurrent protection means 5: I_a1  = I_c1  + K₁  ・ I_Rmax
Reference level of current limiting means 6: I_a2  = I_c2  + K₂  ・ I_Rmax
Reference level of load thermal means 7: I_a3  = I_c3  + K_Three  ・ I_Rmax
Reference level of transistor thermal means 8: I_a4  = I_c4  + K_Four  ・ I_Rmax
Where K (K₁  , K₂  , K_Three  , K_Four  ) Is a coefficient that varies depending on the type of protection function. For overcurrent protection and current limit functions, the ripple component has a large effect.₁  = 1, K₂  = 1, K for load thermal function and transistor thermal function with little influence of ripple component_Three  = 0.5, K_Four  = 0.5.
[0031]
2A and 2B are diagrams for explaining a reference level of a protection function used in protection function processing in the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2A shows a case where the wiring length is short, and FIG. For long cases. In the figure, I_out  Is the output current, I_o  Is the output current I_out  Fundamental wave component, I_R  Is the output current I_out  Ripple component of_out  = I_o  + I_R  It is. Also,
I_a  Is the output current I in the power converter according to the first embodiment._out  Value of ripple component I_Rmax  Standard level of protection function taking into account I_b  Is the carrier frequency f in the conventional power converter._c  Standard level of protection function taking into account I_c  Is an initial value of the reference level of the protection function set based on the rated current of the power converters 1 and 10 or the rated current of the induction motor 23.
[0032]
Output current I_out  When the amplitude of the ripple component is large, the output current I_out  Fundamental wave component I_o  Is the initial value I of the reference level of the protective function_c  The output current I_out  Is the reference level I of the protection function in the first embodiment._a  Or standard level I of conventional protection function_b  (Figure (a)). However, the output current I_out  When the amplitude of the ripple component is small, the output current I_out  Fundamental wave component I_o  Is the initial value I of the reference level of the protective function_c  The output current I_outIs the reference level I of the protection function in the first embodiment._a  The standard level I of the conventional protection function_b  The protection function does not work (Figure (b)).
[0033]
In the power conversion device according to Embodiment 1, the reference level I of the protection function used during the protection function processing_a  Is the initial value I of the reference level of the protection function set according to the rated current of the power converter 1 or the rated current of the induction motor 23._c  The equivalent circuit constants R and L of the load device and the carrier frequency f_c  Maximum ripple component I calculated by_Rmax  Is obtained by adding (I_a  = I_c  + K ・ I_Rmax  )
It can be set to a value suitable for the load device including the induction motor to be variable-speed driven and the power converter and the cable connecting the induction motor,
When the induction motor as the load device is replaced, even if the installation distance between the power conversion device and the driven induction motor is long, the initial value I of the reference level of the protection function based on the rated current_c  And the fundamental component I of the output current that determines the characteristics of the induction motor_o  Can be compared.
[0034]
FIG. 3 is a flowchart showing protection function processing in the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
[0035]
The operation of the power conversion apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
In the power conversion device according to the first embodiment, the microcomputer 11, the drive circuit 12, the switching circuit 13, and the induction motor 23 operate in the same manner as in the conventional example. The microcomputer 11 inputs various commands such as an operation command and a speed command and various set values such as an acceleration / deceleration time and a V / f pattern, and calculates and outputs a control signal. The drive circuit 12 outputs a PWM switching signal for turning on / off the gate of the power transistor of the switching circuit 13 based on the control signal output from the microcomputer 11. The switching circuit 13 turns on / off the gate of the power transistor in accordance with the PWM switching signal output from the drive circuit 12 to convert the DC power into AC power having a predetermined frequency and a predetermined AC voltage, and supplies the induction motor 23 with the DC power. Then, the induction motor 23 is driven at a variable speed.
[0036]
The power conversion device according to Embodiment 1 includes overcurrent protection (overcurrent protection means 5), current limit (current limit means 6), load thermal (load thermal means 7), transistor thermal (transistor thermal means 8), and the like. It has a protection function, and the protection function process is executed according to the flowchart shown in FIG. 3 during operation.
[0037]
In step S1, the carrier frequency f_c  Set.
In step S2, the auto-tuning means 2 estimates the equivalent circuit constants R and L of the induction motor 23 and the wiring cable.
In step S3, the current ripple calculating means 2 calculates the equivalent circuit constants R and L of the load device calculated by the auto tuning means 2 and the carrier frequency f._c  And the maximum value I of the ripple component in equation (1)_Rmax  Is calculated.
I_Rmax  = (Vpn / R). (1-exp (-R / 2L.f_c  )) ...... (1)
[0038]
In step S4, the overcurrent protection means 5, the current limiting means 6, the load thermal means 7 and the transistor thermal means 8 are the initial value I of the reference level of the protection function._c  Maximum ripple component I_Rmax  (I_a  = I_c  + K ・ I_Rmax), Output current I_out  Standard level I of protection function compared with_a  (I_a1  , I_a2  , I_a3  , I_a4  ) Is calculated.
[0039]
In step S5, the current detection circuit 14 outputs the output current I supplied to the induction motor 23._out  Is output to the comparator 22a.
[0040]
In step S6, the comparator 22a confirms whether the overcurrent protection is valid / invalid from among the protection functions. If invalid is selected, the comparator 22a jumps to step S8.
If overcurrent protection is selected to be valid in step S6, the output current I detected in step S7_out  And the reference level I of the overcurrent protection means 5_a1  And the output current I_out  Is the reference level I_a1  In the following cases, it is determined that the operation is normal, and the process proceeds to step S8.
In step S7, the output current I_out  Is the reference level I_a1  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11 in step S9. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22a, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0041]
In step S8, the comparator 22a checks the validity / invalidity of the current limit in the protection function. If invalidity is selected, the comparator 22a jumps to step S11. If the current limit is selected to be valid in step S8, the output current and the reference level I of the current limit means 6 are determined in step S10._a2  And the output current I_out  Is the reference level I_a2  In the following cases, it is determined that the operation is normal, and the process proceeds to step S11.
In step S10, the output current I_out  Is the reference level I_a2  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22a, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0042]
The comparator 22a checks the validity / invalidity of the load thermal in the protection function in step S11, and if invalidity is selected, jumps to step S13.
If the load thermal is selected to be valid in step S11, the output current I in step S12_out  And reference level I of load thermal means 7_a3  And the output current I_out  Is the reference level I_a3  In the following cases, it is determined that the operation is normal, and the process proceeds to step S13.
In step S12, the output current I_out  Is the reference level I_a3  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11 in step S9. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22a, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0043]
The comparator 22a confirms the validity / invalidity of the transistor thermal in the protection function in Step S13, and returns to Step S5 when invalidity is selected.
If the transistor thermal effect is selected in step S13, the output current I in step S14_out  And the reference level I of the transistor thermal means 8_a4And the output current I_out  Is the reference level I_a4  In the following cases, it is determined that the operation is normal, and the process returns to step S5.
In step S24, the output current I_out  Is the reference level I_a4  If it is determined that the threshold value is exceeded, an abnormal signal is output to the microcomputer 11 in step S9. When the microcomputer 11 receives an abnormal signal from the comparator 22a, the microcomputer 11 cuts off the control signal and stops the switching of the power transistor of the switching circuit 13.
[0044]
In the power conversion device according to Embodiment 1, the reference level I of the protection function used during the protection function processing_a  (I_a1  , I_a2  , I_a3  , I_a4  ) Is the initial value I of the reference level of the protection function set according to the rated current of the power converter 1 or the rated current of the induction motor 23._c  (I_c1  , I_c2  , I_c3  , I_c4  ), The equivalent circuit constants R and L of the load device including the induction motor 23 to be driven at a variable speed and the cable connecting the power converter 1 and the induction motor 23, the DC bus voltage, and the carrier frequency f._c  Output current ripple component I calculated from_Rmax  Is obtained by adding (I_a  = I_c  + K ・ I_Rmax) So that the initial value I of the reference level of the protective function based on the rated current_c  And the fundamental component I of the output current that determines the characteristics of the induction motor_o  When the induction motor as the load device is exchanged, even when the installation distance between the power conversion device and the driven induction motor is long, optimal protection can be achieved.
[0045]
The auto-tuning means 2 estimates the resistance R and reactance L of the load motor including the induction motor 23 to be driven at variable speed and the cable connecting the power converter 1 and the induction motor 23, and the current ripple calculating means 4 R and L estimated by the auto-tuning means 2 and the carrier frequency f_c  And the maximum value I of the ripple component of the output current according to equation (1) based on the amplitude Vpn of the DC bus voltage_Rmax  When the induction motor as a load device is replaced, even if the installation distance between the power conversion device and the driven induction motor is long, the induction motor and the power to be driven at a variable speed The reference level of the protection function suitable for the load device including the cable connecting the conversion device and the induction motor can be automatically set.
[0046]
By the way, in the above description, the equivalent circuit constants R and L of the induction motor 23 and the wiring cable estimated by the auto-tuning means 2 and the carrier frequency f_c  Is used to determine the maximum ripple component I_Rmax  The example of calculating the reference level of the protection function has been described, but the output current I detected by the current detection circuit 14 is described._out  It is also possible to detect the ripple component more directly and calculate the reference level of the protection function.
[0047]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
[0048]
The power conversion device according to the present invention receives various commands such as an operation command and a speed command and various set values such as an acceleration / deceleration time and a V / f pattern, and calculates a control signal, and is output from the calculation device. A driving circuit for generating a PWM switching signal and a power transistor, and the DC switching power output from the driving circuit turns on and off the gate of the power transistor to generate DC power. Estimate the resistance and reactance of a load device including a switching circuit for converting to AC power of a predetermined frequency and a predetermined AC voltage, a variable speed driven target induction motor and a power conversion device, and a cable connecting the induction motor Auto-tuning means, a current detection circuit for detecting an output current output from the switching circuit, Based on the output current detected by the current detection circuit, overcurrent protection that determines whether or not the switching circuit is overcurrent, current limit that suppresses the output current, whether or not the induction motor is overloaded And a protection means such as a transistor thermal for determining whether or not the power transistor of the switching circuit is overloaded, in which the protection means is estimated by the auto-tuning means. The maximum value of the ripple component of the output current is calculated based on the load device resistance, reactance, DC bus voltage, and carrier frequency, and the reference level of the protection function used during the protection function processing is determined by the rating of the power converter. Output to the initial value of the reference level of the protection function set according to the current or the rated current of the induction motor Since so as to obtain by adding the maximum value of the ripple component of the flow,
When the induction motor as the load device is replaced, even if the installation distance between the power conversion device and the driven induction motor is long, the induction motor to be variable speed driven and the power conversion device and the induction motor are connected. It is possible to automatically set the reference level of the protection function suitable for the load device including the cable. In addition, the characteristics can be fully extracted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a reference level of a protection function used during protection function processing in the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing protection function processing in the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention;
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a conventional power conversion device.
FIG. 5 is a flowchart showing protection function processing in a conventional power converter.
FIG. 6 is a diagram showing a waveform of an output current output from a switching circuit 13 in the power conversion device.
7 is a diagram illustrating a relationship between a PWM switching signal output from a drive circuit 12 and a ripple component of an output current in the power conversion device. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power converter, 2 Auto tuning means, 3 Protection means, 4 Current ripple calculation means, 5 Overcurrent protection means, 6 Current limiting means, 7 Load thermal means, 8 Transistor thermal means, 9 Protection function selection means, 10 Power conversion Device, 11 Microcontroller, 12 Drive circuit, 13 Switching circuit, 14 Current detection circuit, 15 Auto tuning means, 16 Protection means, 17 Overcurrent protection means, 18 Current limiting means, 19 Load thermal means, 20 Transistor thermal means, 21 Protection function selection means, 22a, 22b comparator, 23 induction motor, R induction motor 23 to be driven at variable speed, and resistance of load device including cable connecting power converters 1, 10 and induction motor 23, L possible Variable speed drive That the reactance of the induction motor 23 and the power conversion apparatus 1, 10 and inductive load device, including a cable for connecting the electric motor 23 of the target, f_c    Carrier frequency, Vpn Amplitude of DC bus voltage, V_out    Output voltage, I_out    Output current, I_o    Output current I_outFundamental wave component, I_R    Output current I_out  Ripple component, I_Rmax    Maximum ripple component, I_a    Standard level of protection function, I_b    Standard level of protection function, I_c    The initial value of the reference level of the protection function set based on the rated current of the power converters 1 and 10 or the rated current of the induction motor 23.

Claims

Calculation means for inputting various commands such as operation command, speed command, and various set values such as acceleration / deceleration time, V / f pattern, etc., and calculating a control signal;
A drive circuit that inputs a control signal output from the calculation means and creates a PWM switching signal;
A switching circuit that has a power transistor and converts the DC power into AC power having a predetermined frequency and a predetermined AC voltage by turning on and off the gate of the power transistor by a PWM switching signal output from the drive circuit;
Auto-tuning means for estimating the resistance and reactance of the load device including the induction motor to be variable-speed driven and the power converter and the cable connecting the induction motor;
A current detection circuit for detecting an output current output from the switching circuit;
Based on the output current detected by the current detection circuit, overcurrent protection for determining whether or not the switching circuit has become overcurrent, current limit to suppress the output current, whether or not the induction motor has been overloaded In a power converter having a load thermal, a protection means such as a transistor thermal that determines whether the power transistor of the switching circuit is overloaded,
The protection means calculates the maximum value of the ripple component of the output current based on the resistance and reactance of the load device estimated by the auto-tuning means, the DC bus voltage, and the carrier frequency, and is used when processing the protection function. The reference level of the protection function is obtained by adding the maximum value of the ripple component of the output current to the initial value of the reference level of the protection function set according to the rated current of the power converter or the rated current of the induction motor. The power converter characterized by having performed.